閻守政 劉暢 陳建宇 曹姍姍 范慧君 張明明

（遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連 116023）

1 引言

近年來，各地加大大氣污染治理力度，SO2，PM2.5等污染物濃度已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢［1-4］，但臭氧污染濃度仍居高不下，臭氧污染形勢嚴峻。2019年、2020 年全國337 個地級及以上城市平均臭氧濃度分別為148，138 μg/m3，以臭氧為首要污染物的超標天數(shù)分別占總天數(shù)的41.7%和37.1%［5-6］。與2016 年相比，2020 年大連市PM2.5濃度顯著下降，由46 μg/m3下降至30 μg/m3，下降幅度達到34.8%，但臭氧濃度僅由147 μg/m3下降至144 μg/m3，基本持平。近地面臭氧作為一種二次污染物，其直接排放污染量較少，主要是通過自然排放和人為排放的揮發(fā)性有機物、氮氧化物等前體物，在太陽輻射作用下發(fā)生光化學(xué)過程反應(yīng)生成［7］。此外，近地面臭氧濃度受污染輸送及平流層臭氧的沉降等因素影響，因此開展垂直方向上臭氧觀測對研究近地面臭氧濃度變化具有重要意義。

差分吸收臭氧激光雷達根據(jù)臭氧在不同波長的光譜吸收差異探測對流層臭氧分布垂直廓線，具有高精度、高時空分辨率、實時在線等優(yōu)點，能夠晝夜不間斷監(jiān)測對流層臭氧濃度時空分布，是研究對流層臭氧污染輸送和生成的有力工具［8］。近年來國內(nèi)多地利用臭氧激光雷達開展監(jiān)測及研究工作，谷雨等［9］研究表明，北京上空5 km 以下臭氧濃度的垂直和斜程分布多呈現(xiàn)多峰型分布的特征，斜程方向上臭氧濃度的高低與下墊面及其臭氧的前體物有較大關(guān)系；孫思思等［10］研究表明，夏季高溫靜穩(wěn)天氣下，近地面臭氧生成和夜間高空殘留的臭氧在湍流作用下混合、積累導(dǎo)致南京市臭氧污染過程；許欣祺等［11］研究分析了夜間邊界層內(nèi)氣流變化，若日間邊界層內(nèi)出現(xiàn)下沉氣流，會導(dǎo)致殘留懸空臭氧沉降，進而與新生成的臭氧疊加，加劇地面臭氧污染。目前大連市相關(guān)研究開展較少。本文利用激光雷達對大連市2021 年7—8 月臭氧進行連續(xù)監(jiān)測，探究夏季高空臭氧傳輸特征及典型臭氧污染過程中高空與近地表臭氧濃度的變化規(guī)律及影響程度。

2 監(jiān)測點位與監(jiān)測設(shè)備

大連市臭氧激光探測雷達的監(jiān)測點位設(shè)在大連市傅家莊國控站點周邊（121.252 9E，38.806 1N），站點周邊主要是居民生活區(qū)，沒有明顯的工業(yè)源。

本研究采用怡孚和融O3Finder 型臭氧激光雷達進行觀測，設(shè)備由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受光學(xué)系統(tǒng)、信號探測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制及顯示系統(tǒng)組成，該設(shè)備盲區(qū)低于100 m，低層臭氧數(shù)據(jù)與空氣站設(shè)備測得臭氧濃度相關(guān)性達0.9 以上，可以較準確地反映近地表臭氧濃度變化過程。臭氧雷達的觀測高度選取100～3 000 m，探測的垂直分辨率為7.5 m，時間分辨率為60 min，每天可獲得22～23 組有效數(shù)據(jù)，同時獲取傅家莊國控站點臭氧在線監(jiān)測小時數(shù)據(jù)值及風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等氣象參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 臭氧污染垂直分布特征

大連市地處遼東半島最南端，作為典型東北沿海城市，其臭氧污染高值往往是由局地光化學(xué)反應(yīng)與高空臭氧團傳輸共同作用引起［12］，只存在單一源時，臭氧污染情況較少。夏季是臭氧污染高頻出現(xiàn)的季節(jié)，觀測期間2021 年7 月共計獲得31 組臭氧廓線數(shù)據(jù)（日值），8 月共計獲得22 組臭氧廓線數(shù)據(jù)（日值），通過數(shù)據(jù)分析可以得到大連市夏季7月、8 月臭氧濃度的垂直分布。

由臭氧的日均數(shù)據(jù)垂直廓線圖（見圖1）可知，在1 000～3 000 m 高度臭氧濃度隨著高度降低逐漸增大，500～1 000 m 高度臭氧濃度整體較高，分布較均勻，表明夏季大連市高空臭氧團傳輸對城市臭氧貢獻較大，傳輸高度在500～1 000 m 范圍；500 m 高度以下臭氧濃度快速下降，臭氧高值主要以“尖峰”形式存在，這可能是局地光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致臭氧快速升高，臭氧前體物NOX或VOCs 排放后在近地面單一高度層聚集參與光化學(xué)反應(yīng)［11，13］，臭氧高值相比其余高度層明顯突出，形成“尖峰”特征。

圖1 大連市2021 年7 月、8 月臭氧日均數(shù)據(jù)垂直廓線

由2021 年7 月4—5 日監(jiān)測的差分吸收激光雷達反演的臭氧垂直分布圖可知（見圖2），4 日午間高空600～1 800 m 出現(xiàn)高濃度臭氧污染帶，午后臭氧污染帶以水平運動為主，600 m 高度上下臭氧差值存在明顯界限，表明污染團向下沉降量較少，4日臭氧污染以近地面生成為主，臭氧高值為80～100 μg/m3；夜間臭氧污染團開始逐漸向近地面沉降，近地面至上空1 200 m 臭氧污染團整體偏高，污染團“貼地”傳輸持續(xù)至次日傍晚，5 日臭氧污染以高空臭氧團傳輸與本地生成混合共同作用，臭氧高值為140～160 μg/m3，相比前一日臭氧污染增加約1倍，表明在適當?shù)臍庀髼l件下，存在于高空的高濃度臭氧團會引起近地面臭氧污染程度的惡化。

圖2 大連市2021 年7 月4—5 日臭氧垂直分布及空氣站臭氧小時濃度變化

3.2 典型臭氧污染過程分析

3.2.1 污染過程演變

大連市在2021 年8 月8 日出現(xiàn)一天臭氧輕度污染過程，臭氧污染前后3 d 大連市空氣質(zhì)量逐日變化情況見表1。7 日大連市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）為60，臭氧8 h（O3-8 h）最大濃度為111 μg/m3；8 日氣溫升高、光照增強、風(fēng)速減弱等因素有利于臭氧近地面光化學(xué)反應(yīng)生成，臭氧濃度相比前一日大幅升高，空氣質(zhì)量惡化為輕度污染，AQI 為111，O3-8 h濃度為172 μg/m3，臭氧小時濃度超標3 h，超標時段為10：00—12：00 時，于12：00 達到峰值217 μg/m3；9 日最高氣溫下降，風(fēng)力增大，污染擴散條件好轉(zhuǎn)，大氣光化學(xué)條件減弱，近地面臭氧濃度降低，O3-8 h 最大濃度為130 μg/m3，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為良。

表1 大連市2021 年8 月7—9 日逐日空氣質(zhì)量和氣象因子

3.2.2 氣象因素分析

氣象因子是影響近地面臭氧濃度波動的主要因素之一，在強烈光照、高溫條件下，有利于光化學(xué)快速反應(yīng)，促進臭氧大幅升高［14-16］。由表1 可知，2021 年8 月8 日大連市臭氧輕度污染，當日的最高氣溫為30.4 ℃，高溫代表著光照輻射強度較大，平均風(fēng)速為1.5 m/s，相比8 日前后風(fēng)速最低，結(jié)合8日08：00 地面天氣圖及氣流后向軌跡圖可知，大連市處在均壓場的控制下，等壓線稀疏，氣流平穩(wěn)運動，下沉趨勢微弱，垂直擴散條件較差，不利于臭氧污染擴散，臭氧團高值易長時間滯留、積累在城市上空。

3.2.3 臭氧雷達垂直監(jiān)測結(jié)果分析

臭氧激光雷達通過對266，289，316 nm 波長的吸收和散射反演計算得到對流層3 km 以下臭氧濃度垂直分布，可以直接觀測臭氧濃度在不同時間、不同高度層分布情況。大連市2021 年8 月7—8 日臭氧垂直分布見圖3。

圖3 大連市2021 年8 月7—8 日臭氧垂直分布

由圖3 可知，2021 年8 月7 日00：00—12：00在600～1 800 m 高度存在大范圍的臭氧污染團，上層污染逐漸向下沉降，12:00 之后臭氧團高值厚度由1 200 m 被壓縮至900 m，上層臭氧團高度下降為1 200 m，下層臭氧團高度降為300 m，300 m 高度臭氧團與近地面臭氧中間臭氧濃度相對較低，表明上層與近地面臭氧混合不完全，臭氧下沉量較少，7 日臭氧污染為本地生成污染，濃度相對較低。

2021 年8 月8 日00：00—06：00 在300～1 200 m高度殘留臭氧污染團濃度較高，污染以水平輸送為主，對近地面影響較小，站點臭氧小時均值范圍為70～110 μg/m3，無明顯高值；06：00 之后臭氧團低層有少量污染下沉，引起近地面臭氧濃度開始升高，09：00 之后污染下沉量明顯增加，空氣站臭氧小時數(shù)據(jù)由06：00 的100 μg/m3升高至10：00 的166 μg/m3，臭氧小時濃度開始出現(xiàn)“超標”現(xiàn)象；10：00—12：00高空層臭氧團底層“貼近”地面，與近地面臭氧混合充分，臭氧小時濃度進一步升高，于12：00 達到峰值，為217 μg/m3；12：00 之后臭氧團頂層逐漸抬升，污染垂直擴散量增加，對近地面臭氧影響開始減弱，空氣站臭氧小時濃度下降至130～150 μg/m3。8 日由于高空臭氧團沉降導(dǎo)致臭氧提前自06：00 開始升高，沉降量加大，與近地面混合量相比7 日明顯增多，峰值濃度明顯偏高，導(dǎo)致8 日為臭氧輕度污染日。

2021 年8 月7—8 日高空臭氧呈現(xiàn)出逐日累積的特征，在較平穩(wěn)氣流運動下臭氧垂直擴散量較小，對低空臭氧影響較大，特別是在夏季高溫靜穩(wěn)氣象條件下，日間近地面臭氧循環(huán)生成和夜間高空殘留、積累的臭氧團在下沉氣流作用下對低空污染混合、積累導(dǎo)致空氣質(zhì)量輕度污染。

為進一步研究臭氧輕度污染日的臭氧分布特征及成因，對大連市2021 年8 月8 日不同時段臭氧垂直數(shù)據(jù)進行分析研究，結(jié)果如圖4 所示。王耀庭等［17-18］研究表明，在夏季高溫靜穩(wěn)天氣下PBL 層對大氣污染影響較大，夏季大氣PBL 高度一般在1 km左右，本研究以此高度為界。2021 年8 月8 日凌晨時段在邊界層高度附近存在著一個臭氧高值帶，厚度400 m 左右，在邊界層以上臭氧濃度隨著高度的增加而降低，在邊界層以下臭氧濃度隨著高度增加而上升，臭氧污染以高空傳輸滯留、積累為主；近地表高度臭氧峰值偏低，為80 μg/m3左右。早間（07:00—09：00）、午間（10：00—12：00）時段高空臭氧團峰值逐漸增大，且峰值對應(yīng)高度逐漸降低，近地表高度臭氧峰值逐漸增大，分別升高至110，130 μg/m3左右，表明高空下沉傳輸對近地表污染產(chǎn)生明顯影響，早間時段不利于臭氧光化學(xué)反應(yīng)，近地面臭氧污染生成量較低，臭氧升高以高空污染團傳輸—下沉為主。午后（13：00—16：00）時段高空臭氧團峰值有所下降，高值廓線厚度增加約1 倍，午間、午后時段有利于臭氧生成，近地面污染以高空臭氧垂直運動與低空臭氧混合為主。晚間（17：00—21：00，22：00—23：00）臭氧逐漸消耗減少，高空及近地表峰值逐漸降低，峰值高度抬升，500～1 200 m 高度臭氧逐漸達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 大連市2021 年8 月8 日不同時刻的臭氧濃度垂直廓線

3.2.4 后向軌跡分析

根據(jù)大連市上空100，600，1 200 m 高度氣流后向軌跡圖，2021 年8 月7 日凌晨城市上空100 m及600 m 氣團來自西南方向山東區(qū)域，1 200 m 氣團來自偏西方向河北區(qū)域，通過渤海上空傳輸至大連城區(qū)，不同高度層氣流均以水平運動為主，無明顯下沉趨勢，大連市高空臭氧傳輸來自山東、河北地區(qū)；之后上空氣流逐漸轉(zhuǎn)向西北方向，8 月7 日夜間近地表氣流輸送距離變短，說明近地面污染以積累為主，上空以下沉氣流為主，促進高空與地面污染混合；8 月8 日中午上空下沉氣流逐漸變“平穩(wěn)”，高空與地面污染混合充分后開始積累，加重近地表臭氧污染。

4 結(jié)論

利用差分吸收激光雷達對大連市夏季臭氧污染進行連續(xù)自動監(jiān)測，對大氣臭氧的垂直變化規(guī)律及污染過程進行分析探討，結(jié)論如下：

（1）利用臭氧激光雷達于2021 年7 月、8 月在大連地區(qū)觀測得到夏季臭氧污染垂直分布形態(tài)，夏季大連市高空臭氧團傳輸對城市臭氧貢獻較大，傳輸高度500～1 000 m；夏季大連市空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主，臭氧輕度污染天數(shù)較少，臭氧只有近地表生成時，污染程度較輕；存在高空臭氧團的傳輸與近地面污染混合，污染程度方可達到輕度污染級別以上。

（2）輕度污染日臭氧的不同時段垂直廓線顯示，在PBL 層附近存在厚度約400 m 的高值臭氧團，PBL 層以下臭氧濃度隨高度的增加而上升；早間至午間時段臭氧團峰值逐漸升高，峰值對應(yīng)高度逐漸下降，對近地表污染影響逐漸加重；午后各垂直高度上臭氧濃度混合均勻，高空與地表臭氧混合達到平衡狀態(tài)；晚間臭氧團峰值逐漸下降，峰值對應(yīng)高度逐漸抬升，對近地表臭氧貢獻較小。

（3）分析臭氧輕度污染過程可知，上空臭氧團傳輸濃度持續(xù)高值，逐日積累疊加，在下沉氣流影響下與近地表污染混合，導(dǎo)致近地表臭氧濃度持續(xù)數(shù)小時超標現(xiàn)象；后向軌跡分析表明，臭氧高空污染傳輸主要來自山東及河北唐山方向。

（4）開展不同高度層臭氧數(shù)據(jù)探測有利于分析城市臭氧污染的成因及開展預(yù)測預(yù)報工作，單一點位的臭氧激光雷達監(jiān)測僅能代表某一區(qū)域的空氣質(zhì)量，分析較為片面，若能建立一套統(tǒng)一的大連市臭氧激光雷達探測網(wǎng)，增加風(fēng)廓線雷達、溫濕度探測雷達探測數(shù)據(jù)等，可以更好地反映污染的變化及受氣象條件的影響，也可以為區(qū)域臭氧傳輸?shù)膶崟r預(yù)警預(yù)測提供更加科學(xué)、詳細的數(shù)據(jù)支撐。